Трубное соединение
Изобретение относится к резьбовому трубному соединению. Наружное трубное соединение выполнено между частью штифта и частью гнезда, концы частей которых содержат дополнительные резьбовые части, приспособленные для зацепления друг с другом вдоль большей части их осевой длины. Резьбы наклонены в одном и том же направлении и под острым углом к продольной оси соединения. Часть гнезда проходит, по меньшей мере, к стопорному выступу, имеющему верхнюю часть в форме усеченного конуса, которая расположена рядом с дополнительной выемкой для стопорного выступа в части штифта. Для размещения с возможностью уплотнения верхней части в форме усеченного конуса дополнительная выемка для стопорного выступа содержит коническую приемную часть, имеющую коническое поперечное сечение. Также выполнен кольцевой паз промежуточной резьбовой части части гнезда. Изобретение повышает надежность соединения. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 14 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к резьбовому трубному соединению, причем трубы предназначены для транспортировки газов и жидкостей, таких как нефть или газ. Соединение особенно пригодно для использования в трубах, подвергающихся как изгибающему, так и сжимающему усилиям.
Предпосылки изобретения
Резьбовые соединения для труб хорошо известны в нефтегазовой промышленности. Трубы, в которых используются такие соединения, включают соединения, которые используются как при разведке месторождения, так и транспортировке газообразных и жидких продуктов. Из-за свойства данных продуктов и давлений, при которых эксплуатируются трубы, важно, чтобы уплотнение в соединениях между соседними участками труб оставалось эффективным. Такие соединения трудно содержать в исправности из-за усилий, которым обычно подвергается участок трубы. В конкретном соединении усилия могут быть сжимающими или создающими напряжение вдоль оси трубы или как создающими напряжение, так и сжимающими, например, когда труба имеет изогнутую конфигурацию. Усилия вместе с перепадами давлений поперек ширины трубы могут ослабить уплотнение и образовать канал для утечки жидкости или газа из трубы.
В нефтяной и газовой промышленностях, очевидно, желательно извлекать из всех частей используемых залежей. В последнее время с появлением усовершенствованных соединений отказались от предыдущей практики внедрения новых, по существу, вертикально ориентированных буровых скважин. В настоящее время хорошо известно прокладывание трубопровода горизонтально через залежи. При этом может быть использована часть ранее установленных буровых скважин. Такой способ, однако, требует использования трубопровода с большим количеством изгибов для прохождения из вертикального направления в горизонтальное направление. Следовательно, отдельные соединения между трубами должны выдерживать результирующую сжимающую силу.
Для улучшения уплотнений «металл-металл» в соединениях ряд общих признаков обычно включен как часть соединения. Во-первых, резьбовая часть соединения наклонена относительно основной оси участков трубы. Во-вторых, нерезьбовой выступ в форме усеченного конуса обычно наклонен на конце охватываемого участка трубы (охватываемый участок, часто называемый штифтом) с соответствующей выемкой на охватывающем участке (часто называемый гнездом). Кроме того, выступ может включать изогнутые части, скосы и другие признаки для увеличения прочности полученного уплотнения.
Часто для дополнительного упрочнения соединения на наружной поверхности трубного соединения между частью гнезда и частью штифта выполнено уплотнение. Такие наружные соединения обычно имеют недостаток в том, что высота гребня винтовой резьбы уменьшается по направлению к наружным краям трубы для размещения выступа. Эта уменьшенная высота гребня снижает эффективность наружного уплотнения.
Следовательно, задачей настоящего изобретения является создание уплотнения, которое устраняет указанные проблемы, и создание трубного соединения с улучшенным внутренним и наружным уплотнением.
Краткое описание настоящего изобретения
В соответствии с настоящим изобретением обеспечивается наружное трубное соединение между частью штифта и частью гнезда, причем конец частей штифта и гнезда содержит дополнительные резьбовые части, приспособленные для взаимного зацепления вдоль большей части его осевой длины, причем резьбы наклонены в одном и том же направлении и под острым углом к продольной оси соединения, причем часть гнезда проходит, по меньшей мере, в стопорный выступ, содержащий верхнюю часть в форме усеченного конуса, которая расположена рядом с дополняющей выемкой для стопорного выступа в части штифта; причем дополнительная выемка для стопорного выступа содержит коническую приемную часть, имеющую поперечное сечение в форме усеченного конуса и приспособленную для приема с возможностью уплотнения верхней части в форме усеченного конуса;
При этом часть гнезда содержит кольцевой паз, расположенный между резьбовой частью и стопорным выступом.
Паз обеспечивает более глубокое прохождение впадин профиля резьбы в стенку части гнезда, таким образом, обеспечивая постоянную высоту гребня вдоль длины резьбы. Кроме того, часть гнезда усиливается, когда напряжения внутри части гнезда лучше распределены.
Преимущественно высота гребня резьбовой части остается постоянной вдоль длины резьбы. Следовательно, резьба является более прочной для сопротивления создающим напряжения усилиям на двух участках, которые обеспечивают трубное соединение. По выбору конус образует угол 2-3° с осью трубного соединения.
Предпочтительно поверхность стопорного выступа, по существу, параллельна оси трубного соединения, которая включает одну или более направленных внутрь выпуклых кривых частей. Указанные кривые части распределяют напряжение внутри соединения, обеспечивая образование лучшего уплотнения. Особенно предпочтительно, указанная поверхность стопорного выступа дополнительно содержит, по существу, плоские части.
Преимущественно паз имеет прямоугольное поперечное сечение. Особенно когда одна или обе стороны прямоугольника соединены с основанием прямоугольника при помощи кривой поверхности. Включение кривых или других соединительных поверхностей перераспределяет напряжение внутри части гнезда.
Краткое описание чертежей
Данное изобретение будет описано со ссылкой на чертежи, на которых изображен один вариант осуществления резьбового соединения, где:
на фиг.1 изображен гребень резьбы гнезда;
на фиг.2 изображен гребень резьбы штифта;
на фиг.3 дополнительно изображена конструкция штифта;
на фиг.4 дополнительно изображена конструкция гнезда, в том числе паз;
на фиг.5 показано напряжение, создаваемое внутри соединения;
на фиг.6 показано влияние пазов разной глубины на работу соединения при приложении крутящего момента для образования трубного соединения;
на фиг.7A-7F показано влияние паза, когда соединение подвергнуто сжатию и натяжению; и
на фиг.8A и 8B изображены поперечные сечения паза.
Подробное описание настоящего изобретения
На фиг.1 и 2 показаны, соответственно, гребень части резьбы гнезда и резьбы штифта, причем эти резьбы известны в технике и пригодны для использования наряду с настоящим изобретением. Для обеспечения более прочного соединения резьба обычно выполняется под углом к продольной оси трубного соединения. На фиг.1 и 2 угол, образованный впадинами профиля резьбы с указанной осью, изображенной пунктирной линией 10, равен тангенсу-1 (1/14) или, приблизительно 2,4°. Будет понятно, что этот угол может изменяться, и его значение будет зависеть от участка трубы, и использования, для которого должна быть предназначена труба.
При использовании поверхности 11 и 21 обращены в направлении вдоль основной длины участка трубы и зацепляются друг с другом или, по меньшей мере, примыкают друг к другу. Эти поверхности 11 и 21 образуют угол в 10° с поверхностью, перпендикулярной к оси участка трубы. Поверхности 12 и 22 также зацепляются друг с другом или, по меньшей мере, примыкают друг к другу. Наклон поверхностей 12, 22, приблизительно, составляет 45° с поверхностью, перпендикулярной к оси трубы.
Хотя размеры гребня зависят от размеров самого участка трубы, для обычной трубы с радиусом 4,22 см (1,660'') резьба обычно будет иметь следующие размеры. Расстояние от средней точки поверхности 11 до поверхности 12 составляет 0,16 см (1/16 дюйма) и от средней точки поверхности 11 до соответствующей поверхности 11A соседнего гребня составляет 0,32 см (1/8 дюйма). Резьбы, как можно видеть, имеют ряд закругленных частей 13A, B, C, D и 23A, B, C, D, которые имеют радиусы 0,02 см (0,008''). Для обеспечения достаточной прочности резьбы для сопротивления деформации, вызванной в результате напряжений, высота гребня, приблизительно, составляет 0,08 см (0,033'') при измерении от впадины профиля резьбы.
Общим с соединением согласно известному уровню техники, как можно видеть на фиг.3, является то, что штифт 30 содержит стопорный выступ 31 на своем дальнем конце за концом резьбовой части 32. Стопорный выступ 31 содержит верхнюю часть 33 участка обычно в форме усеченного конуса с линией A в качестве основания с закругленным кончиком 34. Стопорный выступ 31 зацепляется с соответственно фасонной выемкой 41 (фиг.4) гнезда 40. Для улучшения уплотнения между стопорным выступом 31 и выемкой 41 поверхность 35 стопорного выступа 31 или соответствующая поверхность 43 выемки могут содержать криволинейные части - кривизна, выступающая от одного участка трубы по направлению к другому участку трубы, - для улучшения уплотнения. Кривизна обеспечивает сохранение уплотнения, даже когда трубное соединение подвергается воздействию изгибающих усилий, как в случае, когда продольные оси отдельных труб, составляющих соединение, не совмещены друг с другом. Используемая кривизна необязательно должна быть непрерывной вдоль всей длины поверхности 34 или 35, а может просто проходить вдоль части поверхности. Следует отметить, что когда уже образованное соединение подвергается воздействию изгибающих усилий, кривизна обеспечивает скольжение уплотнения вдоль криволинейной части, так что уплотнение остается непроницаемым для газа и жидкости. Кроме того, внутренняя стенка штифта утолщена вдоль части 35 для увеличения прочности штифта и минимизации его склонности к изгибу при приложении крутящего момента.
Удаленный стопорный выступ 44 части гнезда, который при использовании образует наружное уплотнение с соответствующей выемкой 36 штифта 30, может включать признаки, как описано выше для стопорного выступа 31.
Было установлено, что как для внутреннего уплотнения, так и для наружного уплотнения, криволинейные части, преимущественно, включены в часть гнезда.
В дополнении к этим признакам, как изображено на фиг.4, часть гнезда содержит кольцевой паз 45, расположенный между удаленным концом 44 и конечным гребнем 42A резьбы 42. Паз 45 выполняет ряд функций. Во-первых, паз 45 обеспечивает постоянную высоту гребня резьбы 42 вдоль длины резьбы и сохраняет оптимальный угол относительно оси трубы. Обычно высота гребня уменьшается по направлению к удаленному концу части гнезда. Во-вторых, благодаря включению паза один конец резьбовой части эффективно смещен в радиальном направлении по сравнению с резьбами известного уровня техники. Задавая фиксированное продольное расстояние между двумя концами резьбы, длина резьбовой части настоящего изобретения будет больше, чем для резьб известного уровня техники. Следовательно, продольная плотность резьб больше для резьб согласно настоящему изобретению, чем для резьб известного уровня техники, и, таким образом, увеличивается прочность резьбового соединения.
Кроме того, было установлено, что при использовании обычной инструментальной оснастки включение паза обеспечивает более легкую обработку на станке удаленного конца части гнезда по сравнению с тем, что было до настоящего времени.
Дополнительное улучшение при выполнении достигается при помощи паза 45, в котором напряжения внутри части гнезда сконцентрированы на небольшой площади. Это показано на фиг.5, на которой более темные области обозначают области, находящиеся под воздействием более высокого напряжения. На фиг.5 часть 50 гнезда включает паз 51 за стопорным выступом 52. Область вокруг паза 51, как можно видеть, находится при более высоком напряжении, чем стопорный выступ 52. Кроме того, область 53 с более высоким напряжением окружена материалом с более низким напряжением, что способствует безопасному распределению результирующего напряжения в материале, так что высокое напряжение не вызывает значительного повреждения.
На фиг.6 показан крутящий момент, необходимый для образования трубного соединения. Ось x на графике показывает расстояние между выступами 44 и выемкой 36, соответственно, гнезда и штифта. Ось y показывает крутящий момент, необходимый для поворота элементов соединения. График показывает линии, соответствующие пяти значениям позиции, которые являются расстоянием между выступом и резьбой. Как можно видеть, если стопорный выступ 44 части гнезда зацепляется со штифтом, необходимый крутящий момент значительно увеличивается.
Выполнение соединений, включающих прямоугольный паз, как описано выше, показано на графиках на фиг.7A-7F. На этих чертежах T и C относятся к создающим напряжения и сжимающим усилиям, приложенным к трубе, а 195V относится к приложенному внутреннему давлению.
Поперечное сечение паза 45 может быть выполнено, по существу, прямоугольным, как изображено на фиг.8A. В качестве альтернативы паз может содержать наклонную или криволинейную поверхность, соединяющую основание паза с одной или обеими из боковых стенок. Эта конфигурация показана на фиг.8B.
Несомненно, будет понятно, что настоящее изобретение не ограничено конкретными деталями, описанными здесь, которые даны только в качестве примера, и что возможны различные модификации и изменения в пределах объема настоящего изобретения.
1. Наружное трубное соединение между частью (30) штифта и частью (40) гнезда, причем конец частей штифта и гнезда содержит дополнительные резьбовые части (32), выполненные с возможностью зацепления друг с другом вдоль большей части его осевой длины, причем резьбы наклонены в одном и том же направлении и под острым углом к продольной оси соединения, при этом часть (40) гнезда проходит, по меньшей мере, к стопорному выступу (31), имеющему верхнюю часть (33) в форме усеченного конуса, которая расположена рядом с дополнительной выемкой (41) для стопорного выступа в части штифта, при этом дополнительная выемка (41) для стопорного выступа содержит конусную приемную часть, имеющую поперечное сечение в форме усеченного конуса и приспособленную для размещения с возможностью уплотнения верхней части в форме усеченного конуса, причем часть гнезда содержит кольцевой паз (45), расположенный между резьбовой частью и стопорным выступом, а конус резьбы образует угол 2-3° с осью трубного соединения.
2. Трубное соединение по п.1, в котором высота гребня резьбовой части остается постоянной вдоль длины резьбы.
3. Трубное соединение по п.1, в котором поверхность стопорного выступа, по существу, параллельная оси трубного соединения, содержит одну или более направленных внутрь выпуклых криволинейных частей (43).
4. Трубное соединение по п.3, в котором поверхность стопорного выступа дополнительно содержит, по существу, плоскую часть.
5. Соединение по п.1, в котором паз (45) имеет поперечное сечение с формой прямоугольника, открытое на одном конце.
6. Соединение по п.5, в котором одна или обе из сторон указанного прямоугольника соединены с основанием прямоугольника криволинейной поверхностью.
7. Участок трубы, содержащий резьбовую часть (32) вдоль части его осевой длины, причем резьба наклонена в одном и том же направлении под острым углом к продольной оси соединения и проходит, по меньшей мере, к стопорному выступу (31), при этом стопорный выступ (31) проходит к верхней части (33) в форме усеченного конуса, причем участок содержит кольцевой паз (45), расположенный между резьбовой частью и стопорным выступом, а конус резьбы образует угол 2-3° с осью трубного соединения.
